Fräsmaschinen und Fräsen. Entwicklung und Potenziale dieser Technik

Inhaltsverzeichnis

1.Vorwort

2. Bauformen von Fräsmaschinen
2.1 Konsolfräsmaschinen
2.1.1 Maschinengestell
2.1.2 Antriebe
2.1.3 Einsatzgebiete der Konsolfräsmaschinen
2.1.4 Waagerecht- und Senkrechtfräsmaschine
2.1.5 Universalfräsmaschine
2.2 Bettfräsmaschinen
2.2.1 Maschinengestell
2.2.2 Antrieb
2.2.3 Einsatzgebiete von Bettfräsmaschinen
2.2.4 Kreuztischbauweise
2.2.5 Kreuzbettbauweise
2.2.6 Fahrständerbauweise
2.3 Portalfräsmaschinen
2.3.1 Langtischausführung
2.3.2 Gantry - Bauweise
2.4 Sonderfräsmaschinen
2.4.1 Kopierfräsmaschinen
2.4.2 Wälzfräsmaschinen zur Herstellung von Zahnrädern
2.4.3 Gewindefräsmaschinen
2.4.3.1 Langgewindefräsmaschinen
2.4.3.2 Kurzgewindefräsmaschinen
2.5 Bearbeitungszentren

3. Fräsen
3.1 Zerspangrößen
3.1.1 Schnittgeschwindigkeit vc
3.1.2 Vorschubgeschwindigkeit vf
3.1.3 Spanungsdicke h
3.1.4 Schnittbreite ae
3.1.5 Schnitttiefe ap
3.2 Fräsverfahren
3.2.1 Umfangsfräsen
3.2.2 Stirnfräsen
3.2.3 Gegenlauffräsen
3.2.4 Gleichlauffräsen

4. Werkzeuge
4.1 Fräswerkzeuge
4.1.1 Spitzgezahnte Fräser
4.1.1.1 Aufsteckfräser
4.1.1.2 Schaftfräser
4.1.2 Hinterdrehte (hinterschliffene) Fräser
4.1.3 Fräswerkzeuge mit Wendeschneidplatten
4.1.3.1 Aufsteckfräser
4.1.3.2 Fräser mit Schaft
4.1.3.3 Satzfräser
4.2 Spannmöglichkeiten der Fräser
4.2.1 Steilkegel
4.2.2 Doppelzylinder-Hohlschaft (HSZ)
4.2.3 Kegel-Hohlschaft (HSK)
4.3 Spannmöglichkeiten der Werkstücke
4.3.1 Maschinenschraubstock
4.3.2 Spannwinkel
4.3.3 Magnetspannplatte
4.3.4 Vakuum-Spannplatte
4.3.5 Spanneisen
4.3.6 Hydraulische Spannsysteme
4.3.7 Baukastenvorrichtungen

5.Literaturverzeichnis

6.Ehrenerklärung

1.Vorwort

Die Technik, nach dem griechischen Wort techne, das so viel wie „Handwerk“ oder „Kunstfertigkeit“ bedeutet, diente dem Mensch von Anbeginn an als Mittel zur Beherrschung der Natur. Mithilfe technischer Verfahren gelang es dem Menschen, sich von den natürlichen Gegebenheiten zu emanzipieren.

Im Lauf der Geschichte hat der Mensch die Welt durch ständig neue technische Entwicklungen deutlich und nachhaltig verändert. Doch trotz der mannigfaltigen Schwierigkeiten gilt, dass die Technik der Schlüssel zur Lösung vieler Probleme der Gesellschaft ist, einschließlich der Probleme, die sich erst durch ihre Anwendung ergeben.

Die vorliegende Abhandlung „Fräsmaschinen und Fräsen“ rückt den Technikbereich in den Vordergrund und zeigt, welche Entwicklung dahinter steht, aber auch welches Potential in dieser traditionsgebundenen Technik steckt.

Es ist mein Ziel gewesen, in dieser Abhandlung, eine Bestandsaufnahme zu liefern. Der Inhalt geht über eine reine Beschreibung hinaus. Sie soll dem Leser neben den Fakten auch das Zutrauen vermitteln, Technik zu bewerten und sich kritisch auf das Abenteuer Technik einzulassen.

2. Bauformen von Fräsmaschinen

Bei den Fräsmaschinen haben sich dem Verwendungszweck entsprechende Grundbauformen entwickelt. Diese Bauformen sind auf die Art der Bearbeitung und die Werkstückgrößen sowie die Werk-stücklosgrößen abgestimmt.

2.1 Konsolfräsmaschinen

Konsolfräsmaschinen haben einen kreuzbeweglichen Tisch und eine im Maschinengestell ortsfest angeordnete Spindel. Man unterscheidet zwischen Maschinen:

- mit waagrechter Frässpindel
- mit senkrechter Frässpindel
- in Universalbauweise mit schwenkbarem oder austauschbarem Fräskopf für das Waagerecht-, Senkrecht- oder Winkelfräsen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Man unterscheidet zwischen Konsolständerbauweise und Konsolbettbauweise. Die Positionier- und Vorschubbewegungen werden vom Werkzeugträger (Ständer, Spindelkasten) oder Werkstückträger (Tisch) ausgeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.1 Maschinengestell

Das Maschinengestell wird aus kastenförmigen, gut verrippten Einzelelementen zusammengesetzt. Dadurch wird die für Fräsmaschinen erforderliche dynamische Steifigkeit erreicht. Nachteilig wirkt sich bei diesen Maschinen der auf der Konsole längs- und quer- verschiebbare Tisch auf die Steifigkeit des Systems aus. Bei seitlich ausgefahrenem Tisch ist der Kraftangriffspunkt weit von der Konsolenführung entfernt. Dadurch entsteht an der Konsole ein großes Kippmoment, was zu Verwerfungen führt und die Arbeitsgenauigkeit beeinträchtigt. Diese Nachteile der Konsolfräsmaschinen führten zur Entwicklung der Bettfräsmaschinen.

2.1.2 Antriebe

Das Frässpindelgetriebe bei Konsolfräsmaschinen ist meist ein Schieberadgetriebe. Die Frässpindel läuft im vorgespannten Hoch-genauigkeits-Schrägkugellager mit wartungsfreier Fettschmierung. Die Lager sind in unmittelbarer Nähe der Spindelnase angeordnet, damit sich Wärmeeinflüsse nicht als Längenänderung im Bereich der Werkzeugaufnahme auswirken können. Der Vorschubantrieb wird von einem Gleichstrommotor abgeleitet.

2.1.3 Einsatzgebiete der Konsolfräsmaschinen

Obwohl Konsolfräsmaschinen infolge ihres relativ niedrigen Preises eine sehr wirtschaftliche Lösung auf dem Bereich der Bearbeitung kleiner und mittelgroßer Werkstücke darstellen und ihre Universalität groß ist, werden sie wegen ihrer geringen Steifigkeit zunehmend von stabileren Systemen verdrängt.

2.1.4 Waagerecht- und Senkrechtfräsmaschine

Diese bekannten Standardtypen werden vorwiegend für einfache lineare Walzfräs- und Stirnfräsarbeiten verwendet. Wobei beim Walzenfräsen meist mit Satzfräsern gefräst wird. Mit diesen Satzfräsern können verschieden Absätze mit einem Schnitt gefräst werden. Die Antriebsleistung bei diesen Maschinen liegt zwischen 4 bis 16 kW.

2.1.5 Universalfräsmaschine

Sie hat gegenüber der Waagerechtfräsmaschine einen schwenkbaren oder austauschbaren Fräskopf. Außerdem ermöglicht eine Drehscheibe mit senkrechter Drehachse zwischen Längs- und Querschlitten eine Schrägstellung des Frästisches. Insgesamt können auf solchen Maschinen neben dem Waagerecht-, Senkrecht- und Winkelfäsen auch mit Hilfe eines Teilapparates, der über Wechselräder mit der Tischspindel verbunden ist, Schraubennuten in Drehkörper gefräst werden. Die Universalfräsmaschine wird bevorzugt für die vielfältigen Fräs- und Bohrarbeiten im Werkzeugbau eingesetzt. Die Antriebsleistung liegt zwischen 3 bis 10 kW.

2.2 Bettfräsmaschinen

Bettfräsmaschinen stellen die Weiterentwicklung der Konsol-fräsmaschinen dar. Die unveränderliche Höhenlage des Aufspanntisches und damit des Werkstückes, ist charakteristisch. Daher sind diese Maschinen für schwere Werkstücke geeignet. Sie können in Kreuztisch-, Kreuzbett- oder Fahrständerbauweise ausgeführt sein.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2.1 Maschinengestell

Das Maschinengestell ist aus den Baugruppen:

- Bett (T-Form)
- Ständer
- Schlitten mit Fräseinheit

zusammengesetzt.

Das besondere an dieser Maschinenkonzeption ist die Zuordnung von nur jeweils einer Bewegungseinheit zu jeder Achsrichtung:

- Der Tisch führt die Längsbewegung (außer Fahrständerbauweise)
- Der Ständer die Querbewegung
- Die Fräseinheit die Vertikalbewegung aus.

Das verwindungssteife T-förmige Maschinengestell trägt die Längsführung für den Tisch und die Querführung für den Maschinenständer. Der aus einem Stück gegossene Torständer enthält die zentral-symmetrische Führung für die Fräseinheit. In dem Ständer können wahlweise horizontale oder vertikale Fräseinheiten eingebaut werden. Durch die große Bettlänge wird ein Auskippen des Tisches verhindert und damit das Verschleißverhalten der Führungen in der X-Richtung verbessert.

2.2.2 Antrieb

Das Getriebe der Fräseinheit ist ein mehrstufiges Schaltgetriebe. Es besteht aus meist zwei parallelen Getriebewellen und einem Vorgelegegetriebe. Die Frässpindel ist vorn in 2-reihigen, einstellbaren Zylinderrollenlagern und hinten in 2 spielfrei justierten Schrägkugellagern im Gehäuse gelagert. Die Lager haben eine Dauerfettschmierung und sind wartungsfrei. Die Werkzeugspannung wird durch einen elektromagnetisch betätigten Zuganker ausgeführt. Beim Werkzeugwechsel wird die selbsthemmende Werkzeugschnellspannung durch ein Tellerfederpaket, das hydraulisch gelöst wird, betätigt.

Die Vorschubantriebe werden durch trägheitsarme, völlig geschlossene und wartungsfreie Servomotoren mit direkt auf den Motorwellen angeflanschten Tachos angetrieben. In Verbindung mit den Transistor-Pulsumrichtern bieten sie die Voraussetzung für ein dynamisches Verhalten der Vorschubachsen. Vorgespannte und spielfreie gelagerte Kugelrollspindeln übernehmen die Kraftübertragung auf die bewegten Maschinenteile.

2.2.3 Einsatzgebiete von Bettfräsmaschinen

Bettfräsmaschinen werden für dreidimensionale und lineare Fräsarbeiten mit hoher Genauigkeitsforderung und Fräsarbeiten, die eine hohe Zerspanungsleistung erfordern, eingesetzt. Die Antriebsleistungen liegen zwischen 30 und 80 kW.

2.2.4 Kreuztischbauweise

Bei der Kreuztischbauweise werden die Bewegungen in den zwei Bearbeitungsebenen vom Kreuztisch ausgeführt. Er liegt auf den breiten Führungsbahnen des Bettes. Die vertikale Zustellung wird vom Frässchlitten übernommen. Dadurch ergibt sich eine hohe statische und dynamische Steifigkeit.

2.2.5 Kreuzbettbauweise

Als Kreuzbettbauweise bezeichnet man die Ausführung bei der die werkzeugtragende Baugruppe (meist der Ständer) zwei Vorschub-bewegungen auf das Bett ausführt. Am Ständer gleitet der Spindelstockträger in Flachführungen in vertikaler Richtung. Der Spindelstock führt eine horizontale Bewegung aus. Die bewegte Masse wird durch ein Gegengewicht, das über zwei Ketten oder Stahlseile mit dem Spindelstockträger verbunden ist, ausgeglichen. Die Masse befindet sich im inneren des Ständers und dient zur Entlastung der Führungen.

2.2.6 Fahrständerbauweise

Bei der Großwerkstückbearbeitung werden Platten-, Bohr- und Fräswerke eingesetzt. Sämtliche Vorschub- und Zustellbewegungen führt das Werkzeug über Ständer und Frässchlitten aus. Das Werkstück ruht auf der Aufspannplatte. Für eine allseitige Werkstückbearbeitung montiert man das Werkstück auf einen Drehtisch. Die Zustellung des Werkzeuges in die Tischebene wird durch den ausfahrbaren Spindelkasten und zusätzlich durch eine Pinole realisiert.

2.3 Portalfräsmaschinen

Eine besonders stabile und für höhere Zerspanleistung bei großflächigen Werkstücken geeignete Bauform stellt die Portalbauweise dar (auch Zweiständerbauweise mit Querhaupt genannt). Es gibt sie in zwei Ausführungen:

- Langtischausführung
- Gantry – Bauweise

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Sowohl hohe Genauigkeit für die Fertigbearbeitung als auch hohe Spanleistung für die Vorbearbeitung sind die Anforderungen, die an solche Maschinen gestellt werden. Daher besitzen solche Maschinen auch eine Antriebsleistung von ca. 150 kW. Um ein Werkstück mit einer Aufspannung auf fünf Seiten bearbeiten zu können, ist es erforderlich einen zweifach schwenkbaren Fräskopf zu verwenden.

2.3.1 Langtischausführung

Die Langtischausführung ist mit einem in einer Richtung verfahrbaren Tisch ausgestattet. Das Bett ist doppelt so lang wie der Tisch. Alle Koordinatenbewegungen senkrecht zur Vorschubbewegung des Tisches werden vom Werkzeug (über Querhaupt, Ausleger, Unterschieber, Oberschieber oder Pinole) ausgeführt. Ein Nachteil dieser Bauweise ist der große Platzbedarf.

2.3.2 Gantry - Bauweise

Die Gantry – Bauweise hat eine ortsfeste Aufspannplatte mit verfahrbarem Portal. Der Vorteil dieser Ausführung besteht darin, dass die gesamte Maschine nur noch so lang sein muss, wie das längste zu bearbeitende Werkstück bzw. die Aufspannplatte.

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